Το Grand Unification Dream Kept at Bay
Για 20 χρόνια, φυσικοί στην Ιαπωνία παρακολουθούσαν μια δεξαμενή καθαρού νερού 13 ορόφων που βρίσκεται βαθιά μέσα σε ένα εγκαταλελειμμένο ορυχείο ψευδαργύρου, ελπίζοντας να δουν τα πρωτόνια στο νερό να καταρρέουν αυθόρμητα. Στο μεταξύ, ένα βραβείο Νόμπελ έχει κερδίσει για μια διαφορετική ανακάλυψη στη δεξαμενή νερού που μοιάζει με καθεδρικό ναό και σχετίζεται με σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα. Αλλά η ομάδα που αναζητά διασπάσεις πρωτονίων —γεγονότα που θα επιβεβαίωναν ότι τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης αποσπάστηκαν από μια ενιαία, θεμελιώδη δύναμη στην αρχή του χρόνου— εξακολουθεί να περιμένει.
«Μέχρι στιγμής, δεν έχουμε δει ποτέ αυτά τα στοιχεία διάσπασης πρωτονίων», είπε ο Makoto Miura του Πανεπιστημίου του Τόκιο, ο οποίος ηγείται της ομάδας αναζήτησης διάσπασης πρωτονίων του πειράματος Super-Kamiokande.
Διαφορετικές «μεγάλες ενοποιημένες θεωρίες» ή «GUTs» που συνδέουν τις ισχυρές, τις αδύναμες και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις κάνουν μια σειρά από προβλέψεις σχετικά με το χρόνο που χρειάζονται τα πρωτόνια για να διασπαστούν. Η τελευταία ανάλυση του Super-K διαπιστώνει ότι τα υποατομικά σωματίδια πρέπει να ζήσουν, κατά μέσο όρο, τουλάχιστον 16 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια χρόνια, μια αύξηση από την ελάχιστη διάρκεια ζωής πρωτονίων των 13 δισεκατομμυρίων τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμυρίων ετών που υπολόγισε η ομάδα το 2012. Τα ευρήματα, δημοσιεύθηκαν τον Οκτώβριο και υπό εξέταση για δημοσίευση στο Physical Review D , αποκλείουν ένα μεγαλύτερο εύρος των προβλεπόμενων ζωών πρωτονίων και αφήνουν την αγαπημένη υπόθεση της μεγάλης ενοποίησης της δεκαετίας του 1970 ως αναπόδεικτο όνειρο. «Μακράν ο πιο πιθανός τρόπος με τον οποίο θα επαληθεύαμε ποτέ αυτή την ιδέα είναι η διάσπαση πρωτονίων», δήλωσε ο Stephen Barr, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ντέλαγουερ.
Χωρίς διάσπαση πρωτονίων, η απόδειξη ότι οι δυνάμεις που διέπουν τα στοιχειώδη σωματίδια σήμερα είναι στην πραγματικότητα θραύσματα μιας ενιαίας «μεγάλης ενοποιημένης» δύναμης είναι καθαρά περιστασιακή:Οι τρεις δυνάμεις φαίνεται να συγκλίνουν στις ίδιες δυνάμεις όταν προεκτείνονται σε υψηλές ενέργειες και οι μαθηματικές δομές τους υποδηλώνουν συμπερίληψη σε ένα ευρύτερο σύνολο, όπως το σχήμα των ηπείρων της Γης υπαινίσσεται την αρχαία υπερήπειρο Παγγαία.
«Έχετε αυτά τα θραύσματα και ταιριάζουν τόσο τέλεια», είπε ο Μπαρ. "Οι περισσότεροι πιστεύουν ότι δεν μπορεί να είναι ατύχημα."
Εάν οι δυνάμεις ήταν πράγματι μία κατά τη διάρκεια της «μεγάλης εποχής ενοποίησης» του πρώτου τρισεκατομμυρίου του τρισεκατομμυρίου του τρισεκατομμυρίου δευτερολέπτου του σύμπαντος, τότε τα σωματίδια που έχουν τώρα ξεχωριστές αποκρίσεις στις τρεις δυνάμεις θα ήταν τότε συμμετρικά και εναλλάξιμα, όπως οι πτυχές του ένα κρύσταλλο. Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, αυτές οι συμμετρίες θα είχαν σπάσει, όπως ένας κρύσταλλος που θρυμματίζεται, εισάγοντας διακριτά σωματίδια και την πολυπλοκότητα που παρατηρείται στο σύμπαν σήμερα.
Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, οι φυσικοί έχουν προτείνει μια ποικιλία μοντέλων GUT που περιγράφουν πιθανές αρχικές συμμετρικές διατάξεις των σωματιδίων. Το να βρούμε ποιο μοντέλο είναι σωστό θα αποκάλυπτε όχι μόνο την υποκείμενη μαθηματική δομή των νόμων της φύσης (και πώς θα μπορούσαν να τετραγωνιστούν με την τέταρτη δύναμη, τη βαρύτητα), αλλά και ποια άλλα σωματίδια μπορεί να υπάρχουν εκτός από τα γνωστά. Αυτό με τη σειρά του θα μπορούσε ενδεχομένως να λύσει άλλα βαθιά μυστήρια της φυσικής, όπως η ανισορροπία ύλης-αντιύλης του σύμπαντος και οι ανεξήγητες μάζες νετρίνων. «Το όνειρό μας, φυσικά, είναι να έχουμε μια ενοποιημένη θεωρία για τα πάντα», είπε ο Δημήτρης Νανόπουλος, φυσικός στο Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας που επινόησε τον όρο GUT.
Η απευθείας αναπαραγωγή της συγχώνευσης των δυνάμεων θα απαιτούσε μια αδύνατη ποσότητα ενέργειας. Αλλά η μεγάλη ενοποίηση θα πρέπει να παράγει ένα λεπτό ίχνος στο σύμπαν σήμερα. Όλα τα μοντέλα GUT υποστηρίζουν ότι τα κουάρκ, τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία των πρωτονίων και των νετρονίων, αρχικά δεν διακρίνονταν από τα λεπτόνια, την κατηγορία σωματιδίων που περιλαμβάνει ηλεκτρόνια. Λόγω της κβαντικής αβεβαιότητας, η μεγάλη ενοποιημένη δύναμη που σχετίζεται με αυτή τη θεμελιώδη συμμετρία θα πρέπει περιστασιακά να επανεμφανίζεται, μεταμορφώνοντας αυθόρμητα ένα κουάρκ ή αντικουάρκ σε ένα αντίστοιχο λεπτόν ή αντιλεπτόνιο. Όταν αυτό συμβεί σε ένα από τα κουάρκ μέσα σε ένα πρωτόνιο, το πρωτόνιο θα καταρρεύσει αμέσως, εκπέμποντας μια ανιχνεύσιμη λάμψη ακτινοβολίας. Αυτό περίμεναν να δουν οι φυσικοί στο πείραμα Super-Kamiokande. (Τα νετρόνια θα διασπώνται με παρόμοιο τρόπο· οι ειδικοί την αποκαλούν διάσπαση πρωτονίων ως συντομογραφία.)
Το όνειρο της μεγάλης ενοποίησης ξεκίνησε το 1974, όταν ο μελλοντικός νομπελίστας Sheldon Glashow, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, και ο Howard Georgi, τώρα στο Χάρβαρντ, ανακάλυψαν ότι οι ομάδες μαθηματικής συμμετρίας γνωστές ως SU(3), SU(2) και U( 1), οι οποίες αντιστοιχούν, αντίστοιχα, στις ισχυρές, αδύναμες και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και μαζί αποτελούν το «Τυποποιημένο μοντέλο» της φυσικής των σωματιδίων, μπορούν να ενσωματωθούν σε μια ενιαία, μεγαλύτερη ομάδα συμμετριών που συσχετίζουν όλα τα γνωστά σωματίδια ταυτόχρονα:SU( 5).
«Σκεφτήκαμε ότι ήταν απολύτως όμορφο», θυμάται ο Glashow.
Αλλά η διάρκεια ζωής του πρωτονίου που προβλέπεται από αυτό το πρώτο και απλούστερο μοντέλο GUT, μαζί με το πρώτο χιλιοστό του εύρους των ζωών πρωτονίων που προβλέπονται από άλλα μοντέλα, έχει ήδη αποκλειστεί. Το Super-Kamiokande διερευνά τώρα το φάσμα των προβλέψεων πολλών δημοφιλών προτάσεων, αλλά με δύο δεκαετίες υπό τη ζώνη του, δεν θα μπορέσει να προχωρήσει πολύ περισσότερο. «Είναι πιο δύσκολο να κάνουμε πολύ καλύτερα τώρα γιατί έχει συσσωρευτεί τόσα πολλά δεδομένα», είπε ο Ed Kearns, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης που εργάζεται για το Super-K από τότε που ξεκίνησε το πείραμα.
Αυτό αφήνει αβέβαιη την τύχη της μεγάλης ενοποίησης. Ο Barr, ένας από τους δημιουργούς του ακόμα βιώσιμου μοντέλου GUT "flipped SU(5)", συνέκρινε την κατάσταση με το να περιμένετε να επιστρέψει ο σύζυγός σας στο σπίτι. «Αν καθυστερήσουν 10 λεπτά, υπάρχουν απλές εξηγήσεις για αυτό. Μια ώρα καθυστέρηση, ίσως αυτές οι εξηγήσεις να γίνουν λίγο λιγότερο εύλογες. Αν αργήσουν οκτώ ώρες… αρχίζεις να ανησυχείς μήπως ο άντρας ή η γυναίκα σου είναι νεκρός. Το θέμα είναι λοιπόν, σε ποιο σημείο λέτε ότι η θεωρία σας είναι νεκρή;»
Αυτή τη στιγμή, είπε, «είμαστε περισσότερο στο σημείο όπου ο σύζυγος καθυστερεί 10 λεπτά ή ίσως μια ώρα. Είναι ακόμα απολύτως εύλογο ότι η μεγάλη ενοποίηση είναι σωστή."
Εάν η μεγάλη ενοποίηση είναι όντως σωστή, αυτό σημαίνει ότι υπήρχαν θεμελιώδεις συμμετρίες στην αρχή του σύμπαντος και στη συνέχεια έσπασαν καθώς έπεφτε η θερμοκρασία, όπως ακριβώς το νερό, που μοιάζει το ίδιο προς κάθε κατεύθυνση, παγώνει σε πάγο, ο οποίος έχει διαφορετικές κατευθύνσεις.
Οι συμμετρίες είναι μετασχηματισμοί που αφήνουν κάτι αμετάβλητο. Περιστρέψτε ένα τετράγωνο 90 μοίρες, για παράδειγμα, και φαίνεται όπως πριν. Για να εμφανίσει ένα ορθογώνιο αντικείμενο αυτή την περιστροφική συμμετρία, πρέπει να έχει τέσσερις ίδιες πλευρές. Ομοίως, εάν υπάρχει μια ορισμένη συμμετρία στους νόμους της φύσης, τότε πρέπει να υπάρχει ένα σύνολο συμμετρικών σωματιδίων για να γίνει αντιληπτό.
Πάρτε το SU(3), τη συλλογή συμμετριών που αντιστοιχούν στην ισχυρή δύναμη (η οποία κολλά τα κουάρκ μεταξύ τους σε πρωτόνια και άλλα σύνθετα σωματίδια). Αυτή η ομάδα συμμετρίας περιλαμβάνει τον κανόνα ότι τα "επάνω κουάρκ" (ένας από τους έξι τύπους κουάρκ) έρχονται σε τρία διαφορετικά φορτία —συχνά ονομάζονται κόκκινο, μπλε και πράσινο— που είναι εναλλάξιμα. Δηλαδή, αν αλλάζατε όλα τα κόκκινα κουάρκ στο σύμπαν για τα μπλε, όλα τα μπλε για τα πράσινα και όλα τα πράσινα για τα κόκκινα, κανείς δεν θα μπορούσε να το πει. Τα «κάτω» κουάρκ και όλα τα άλλα κουάρκ έρχονται επίσης σε αυτές τις συμμετρικές τριπλέτες, οι οποίες είναι σαν πλευρές ενός ισόπλευρου τριγώνου. Τα γλουόνια, τα οκτώ σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη, μπορούν να θεωρηθούν ως οι στροφείς των τριγώνων.
Εν τω μεταξύ, οι συμμετρίες SU(2) που σχετίζονται με την ασθενή δύναμη (η οποία είναι υπεύθυνη για πολλά είδη ραδιενεργής διάσπασης) περιλαμβάνουν μια συμμετρία μεταξύ, για παράδειγμα, των κουάρκ προς τα πάνω και των κάτω κουάρκ. Εναλλαγή όλων των u και d είναι στις εξισώσεις που περιγράφουν την αδύναμη δύναμη, «και δεν πρόκειται ποτέ να καταλάβετε ότι το έκανα αυτό», είπε ο Νανόπουλος.
Εντερικά όπως το SU(5) περιλαμβάνουν όλες τις συμμετρίες των SU(3), SU(2) και U(1) και προσθέτουν νέες στο μείγμα. Για παράδειγμα, το SU(5) ομαδοποιεί τα κουάρκ και τα αντικουάρκ μαζί με τα λεπτόνια και τα αντιλεπτόνια σε «πεντάδυμα», τα οποία είναι σαν τις δυσδιάκριτες πλευρές ενός κανονικού πενταγώνου. Τα σωματίδια που συνήθως μεταφέρουν τις ισχυρές, αδύναμες και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις είναι πανομοιότυπα σε αυτή τη μεγαλύτερη μαθηματική δομή. Και τα 12 από αυτά, και μια επιπλέον ντουζίνα που προκύπτουν φυσικά, μεταφέρουν μια ενιαία «μεγάλη ενοποιημένη» δύναμη.
Όταν ανακάλυψαν το μοντέλο SU(5), ο Glashow και ο Georgi συνειδητοποίησαν αμέσως ότι οι 12 επιπλέον φορείς δύναμης που υπήρχαν στη δομή του SU(5) θα προκαλούσαν διάσπαση πρωτονίων. Όταν το SU(5) έσπασε στα τρία κομμάτια που φαίνονται σήμερα, 12 από τους αρχικούς φορείς δυνάμεων θα είχαν πάρει τη σημερινή τους μορφή, αλλά οι άλλες ντουζίνες, αντί να εξαφανιστούν, θα είχαν γίνει απλώς εξαιρετικά βαριές και αδύναμες. Αυτοί οι φορείς φανταστικής δύναμης περιστασιακά πραγματοποιούνταν και αντάλλαζαν ένα κουάρκ με ένα λεπτόνιο. Ο Georgi και άλλοι υπολόγισαν ότι εάν το μοντέλο SU(5) είναι σωστό, τότε το μέσο πρωτόνιο (το οποίο αποτελείται από τρία κουάρκ) θα διασπαστεί μέσα σε 10 χρόνια.
Αυτή η πρόβλεψη παραποιήθηκε τη δεκαετία του 1980 τόσο από το πείραμα Irvine-Michigan-Brookhaven στο Οχάιο όσο και από το πείραμα Kamiokande, τον προκάτοχο του Super-K. Βρέθηκε λίγος χώρος περιστροφής, που οδήγησε σε μια νέα, περίπου 100 φορές μεγαλύτερη πρόβλεψη της διάρκειας ζωής του πρωτονίου, αλλά αυτό δεν ήταν αρκετό. Λίγα χρόνια μετά τη σύνδεση στο διαδίκτυο το 1996, το πείραμα Super-K απέκλεισε οριστικά το SU(5). «Όλοι είχαν καταρρεύσει», θυμάται ο Μπαρ.
Έκτοτε η κατάσταση έχει γίνει πιο διφορούμενη. Ενώ το SU(5) ήταν όσο το δυνατόν απλούστερο, οι ερευνητές βρήκαν μια ποικιλία από άλλες ομάδες συμμετρίας στις οποίες θα μπορούσαν να ταιριάζουν τα υπάρχοντα σωματίδια, με επιπλέον χαρακτηριστικά και μεταβλητές που μπορούν να κάνουν τα πρωτόνια να διασπώνται πολύ πιο αργά. Μερικά από αυτά τα μοντέλα προσθέτουν μια επιπλέον συμμετρία, που ονομάζεται «υπερσυμμετρία», που διπλασιάζει τον αριθμό των σωματιδίων. Άλλα, όπως το αναποδογυρισμένο SU(5), αναδιατάσσουν ποια κουάρκ και αντικουάρκ συμβαδίζουν με ποια λεπτόνια και αντιλεπτόνια μέσα στα πεντάδυμα του SU(5), προσδίδοντας μια επιπλέον συμμετρία στη διαδικασία.
Το τελευταίο αποτέλεσμα του Super-K, το οποίο θέτει το κατώτερο όριο στη διάρκεια ζωής του πρωτονίου λίγο πάνω από 10 χρόνια, κινείται στην περιοχή ενδιαφέροντος πολλών μοντέλων — συμπεριλαμβανομένου αυτού του αναποδογυρισμένου SU(5), το οποίο προβλέπει ότι τα πρωτόνια θα χρειαστούν μεταξύ 10 και 10 ετών να αποσυντεθεί. «Είμαι πολύ ενθουσιασμένος για αυτό», είπε ο Νανόπουλος, ένας από τους ερευνητές που ανέπτυξαν το flipped SU(5) στις αρχές της δεκαετίας του 1980.
Όμως, ενώ το Super-K θα μπορούσε ξαφνικά να χτυπήσει χρυσό τα επόμενα χρόνια και να επιβεβαιώσει ένα από αυτά τα μοντέλα, θα μπορούσε επίσης να λειτουργήσει για άλλα 20 χρόνια, ανεβάζοντας το κατώτερο όριο στη διάρκεια ζωής του πρωτονίου, χωρίς να αποκλείεται οριστικά κανένα από τα μοντέλα. /P>
Η Ιαπωνία εξετάζει το ενδεχόμενο κατασκευής ενός ανιχνευτή 1 δισεκατομμυρίου δολαρίων που ονομάζεται Hyper-Kamiokande, ο οποίος θα είναι μεταξύ οκτώ και 17 φορές μεγαλύτερος από το Super-K και θα είναι ευαίσθητος σε διάρκεια ζωής πρωτονίων 10 ετών μετά από δύο δεκαετίες. Μπορεί να αρχίσει να βλέπει μια στάλα αποσύνθεσης. Ή μπορεί και όχι. «Μπορεί να είμαστε άτυχοι», είπε ο Μπαρ. "Θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε τον μεγαλύτερο ανιχνευτή που θα κατασκευάσει ποτέ κάποιος και τα πρωτόνια διασπώνται λίγο πολύ αργά και μετά δεν έχουμε τύχη."
Ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλος είναι ο ανιχνευτής κάποιου, μπορούν πάντα να κατασκευαστούν ολοένα και πιο υπερβολικά μοντέλα GUT που διαφεύγουν από τις δοκιμές — όπως οι ομάδες συμμετρίας E6 ή E8 , του οποίου οι άφθονες παράμετροι μπορούν να συντονιστούν για να κάνουν τα πρωτόνια να ζουν όσο θέλει κανείς. Ένα από αυτά τα μοντέλα μπορεί να είναι σωστό, αλλά κανείς δεν θα το μάθει ποτέ. «Οι άνθρωποι μπορούν να κατασκευάσουν μοντέλα με υψηλότερες συμμετρίες και να στέκονται στη μύτη τους και να προσπαθήσουν να αποφύγουν τη διάσπαση των πρωτονίων», είπε ο Νανόπουλος. «Εντάξει, μπορείς να το κάνεις, αλλά… δεν μπορείς να το δείξεις στη μητέρα σου με ίσιο πρόσωπο».
Ο Glashow, για παράδειγμα, έχασε σε μεγάλο βαθμό το ενδιαφέρον του για την όλη υπόθεση όταν αποκλείστηκε το SU(5). «Η διάσπαση πρωτονίων ήταν μια αποτυχία», είπε. "Τόσες πολλές υπέροχες ιδέες έχουν πεθάνει."
Η μεγάλη ενοποίηση δεν έχει πεθάνει, ακριβώς. Τα περιστασιακά στοιχεία είναι τόσο πειστικά όσο ποτέ. Αλλά η ιδέα θα μπορούσε να παραμείνει σε αέναο κενό, μάλλον όπως το πρωτόνιο.
